基于向列型液晶的磁可調(diào)U形槽微帶貼片天線

一個可重構(gòu)U形槽微帶貼片天線使用了一個在5GHz工作的向列型液晶（LC）混合物，用于無線通信，如Wi-Fi。一個從0到1200 Oe的外部磁場改變了LC的相對介電常數(shù)，以調(diào)整貼片的諧振頻率。在測量和模擬中都展示了200MHz的調(diào)節(jié)范圍，最大增益為4.05dB。由于其低成本、低剖面和高性能，LC被認(rèn)為是可重構(gòu)天線的良好候選材料。

無線通信市場的增長導(dǎo)致了不同頻段的系統(tǒng)和終端的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量增加。這種通信標(biāo)準(zhǔn)的多重性通常要求使用數(shù)根天線，每根天線專用于一個特定的頻段。然而，這意味著系統(tǒng)尺寸的增加，對其成本、能耗和復(fù)雜性有很大影響。使用能在數(shù)個頻段上工作的可重構(gòu)天線可以減少尺寸、功耗和成本。

貼片天線有許多優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、成本適中、易于制造。然而，對于某些應(yīng)用，其帶寬太窄。這種限制可以通過使用PIN二極管1、變?nèi)荻O管2,3、射頻MEMS開關(guān)4或可調(diào)節(jié)材料（如鐵電體5和LC）使其可重構(gòu)來克服。6-13 通過施加電場或磁場改變LC介電常數(shù)的可能性已經(jīng)吸引了微波界的研究人員幾十年了。

我們設(shè)計了一個貼片天線，利用LC的特性來增加可重構(gòu)性。在貼片天線和地面之間注入了線狀的LC混合物E7。仿真和測量表明，在應(yīng)用磁場的情況下，可調(diào)節(jié)范圍為200MHz，峰值增益為4.05dB。

液晶的屬性

在微波和毫米波波系統(tǒng)中，通過外部施加電場或磁場，LC的向列狀態(tài)通常被用來改變其介電常數(shù)。使用電場來改變LC分子的方向等同于使用磁場。在本項工作中，磁場被用來改變一個貼片天線的頻率。兩塊磁鐵在天線兩側(cè)間隔5mm可以打開磁場；移開兩塊磁鐵可以關(guān)閉磁場。

施加在LC上的磁場必須大于600 Oe。13 為了確保LC的分子與施加的磁場平行，兩個磁鐵被放置在距離天線兩側(cè)5mm的地方，那里的總磁場強(qiáng)度等于1200 Oe（見圖1）。LC分子是根據(jù)所施加的磁場來定向的。當(dāng)沒有施加磁場時，分子的排列是通過用微觀的聚酰胺薄膜覆蓋LC層的下部和上部接觸面決定的。這決定了垂直介電常數(shù)εr⊥。當(dāng)施加的磁場等于1200 Oe時，分子的方向與磁場相同，這決定了平行介電常數(shù)εr∥。Martin等人7使用載有LCK15的泡沫基底，獲得了從4.6到4.74GHz的140MHz的可調(diào)節(jié)頻率范圍，使用LC E7獲得了從5.43到5.66GHz的4%的調(diào)節(jié)范圍。13

圖1 平行和垂直介電常數(shù)（a）。有效介電常數(shù)和損耗正切與外加偏置磁場的關(guān)系(b)13。

貼片天線結(jié)構(gòu)

使用公式1到5設(shè)計了一個5GHz天線（見圖2a）。14 基板是FR-4，相對介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=1.6mm。貼片的尺寸為Ls和Ws=30mm。嵌入的饋電線Li=5.7mm，間隙Wg=0.2mm。一條50Ω的微帶線（Lf=2.9mm；Wf=12.05mm）被用來給接地基底上的貼片供電。結(jié)構(gòu)的選擇基于CST Studio的模擬。寬度W是用以下方法計算的：

審核編輯 ：李倩